Nucleare da fissione
ID 7011 | 13.10.2018
L’atomo è formato da un nucleo, composto di protoni e di neutroni, e da elettroni che ruotano attorno al nucleo. I protoni hanno carica elettrica positiva, i neutroni nessuna carica, gli elettroni sono particelle con carica elettrica negativa. Le particelle del nucleo sono tenute insieme da forze nucleari attrattive, molto forti ma operanti su piccolo raggio. Dal numero di protoni e neutroni presenti nel nucleo dipende il peso dell’atomo.
Bombardando in opportune condizioni i nuclei pesanti, è possibile alterare l’equilibrio che ne tiene insieme le particelle. Nuclei come quelli dell’uranio o del torio, ad esempio, bombardati con neutroni subiscono un particolare processo di disintegrazione, detto fissione, nel corso del quale si dividono in due grossi frammenti, entrambe di carica positiva, che si respingono con violenza allontanandosi con elevata energia cinetica. La fissione dell’isotopo principale dell’uranio, ²³⁸U, si verifica con neutroni veloci, come pure la fissione del torio, mentre l’isotopo meno abbondante dell'uranio, ²³⁵U, presente nell’uranio naturale in percentuale dello 0,7%, richiede neutroni lenti (detti anche “termici”). Un elemento che può andare incontro al processo di fissione viene detto fissile.
Con la fissione si liberano anche almeno due neutroni, proiettati a grande velocità. Questi neutroni possono a loro volta provocare altre fissioni innescando reazioni a catena.
L’energia cinetica dei frammenti di fissione si trasforma in calore nella massa del combustibile stesso in cui vengono frenati.
Nelle centrali nucleari il calore sviluppato dalle reazioni di fissione permette di scaldare l’’acqua fino a produrre vapore. Come nelle convenzionali centrali termoelettriche a combustibile fossile (olio combustibile, carbone o gas naturale), l’energia liberata sotto forma di calore viene trasformata prima in energia meccanica e successivamente in energia elettrica: il vapore prodotto aziona infatti una turbina che, a sua volta, mette in moto un alternatore.
Il neutrone è dunque alla base dell’industria nucleare; la sua esistenza è stata scoperta dal fisico inglese Chadwick nel 1932. Pochi anni dopo, nel 1939, il fisico tedesco Otto Hann ha dimostrato che l’atomo di uranio si spezza in due quando viene colpito da un neutrone e tre anni dopo, il 12 dicembre 1942 Enrico Fermi è riuscito a far avvenire per la prima volta la reazione a catena in un reattore costruito a Chicago sotto la sua direzione.
È iniziata così una nuova era ed è stata messa a disposizione dell’umanità una nuova fonte di energia.
Reattori nucleari di IV generazione (2000)
I reattori nucleari di IV generazione (Gen IV) sono un gruppo di 6 famiglie di progetti per nuove tipologie di reattore nucleare a fissione che, pur essendo da decenni allo studio, non si sono ancora concretizzati in impianti utilizzabili diffusamente in sicurezza. Alcuni ritengono che saranno disponibili commercialmente fra alcune decine di anni (2030-2040), altri che saranno fruibili già nel 2020.
Non si tratta delle uniche possibilità di sviluppo dopo la 3ª generazione: la ricerca sulla Gen IV è stata promossa dal Forum Internazionale GIF (Generation IV International Forum) fondato nel 2000 dal Department of Energy degli Stati Uniti d'America (DOE) e a cui hanno aderito alcuni paesi.
I sei sistemi prescelti sono contrassegnati dalle sigle:
- GFR (Gas-cooled fast reactor system),
- LFR (Lead-cooled fast reactor system),
- MSR (Molten salt reactor system),
- SFR (Sodium-cooled fast reactor system),
- SCWR (SuperCritical water-cooled reactor system),
- VHTR (Very high temperature reactor system).
Fig. 1 - LFR Schema generale (Gen IV)
Il problema principale da risolvere è legato alla tecnologia del refrigerante piombo che è al tempo stesso corrosivo ed erosivo, nonché tossico. La sua grande densità rende problematica anche l’auspicata circolazione a convezione naturale in quanto, occorrendo
per questa un’adeguata altezza della tanca-reattore, enormi pesi gravano sul fondo di questa richiedendo spessori delle pareti di acciaio di oltre mezzo metro anche per le taglie più piccole, rendendo difficile il raggiungimento di grandi potenze.
Gli stessi elementi di combustibile del nocciolo, essendo più leggeri del piombo, devono essere ancorati. In caso di fusione del nocciolo il corium, invece di finire nei core catchers, galleggerebbe sul pelo libero del piombo fuso. La resistenza ai sismi e la gestione del combustibile sono problemi non trascurabili.
Oltre che per la produzione di energia, la fissione nucleare ha trovato innumerevoli applicazioni in ogni campo della ricerca scientifica e delle attività industriali.
Ne costituiscono esempi significativi i due reattori sperimentali TRIGA e TAPIRO in funzione presso il Centro Ricerche ENEA Casaccia.
TRIGA RC-1 (Training, Research, Isotopes, General Atomics - Reattore Casaccia 1) è un reattore termico a piscina del tipo Triga Mark II, acquisito nel 1960 dalla General Atomic nell’ambito dell’iniziativa USA Atoms for Peace. La potenza del reattore, originariamente pari a 100 kW, è stata portata nel 1963 a 1 MW su progetto CNEN. Il reattore, tuttora in funzione, trova applicazioni in tutti quei settori della ricerca applicata nei quali si renda necessario l’utilizzo di una sorgente intensa di neutroni. Può, in particolare, essere utilizzato per: radiografia e tomografia a neutroni per lo studio in vari settori dell’industria (aerospaziale, automobilistica, petrolifera ecc.) nel campo delle analisi non distruttive (corrosione, analisi strutturale ecc.); produzione di radioisotopi per la diagnostica industriale; produzione di radioisotopi per la diagnostica (Fluoro 18 per la PET) e la terapia medica con studi su radiofarmaci non commerciali e di nuova generazione e sviluppo di protocolli innovativi di cura (alcuni già brevettati e in uso); irraggiamento neutronico di materiali; indagini nel campo della conservazione del patrimonio artistico (indagini su dipinti e reperti archeologici, analisi strutturale di statue e manufatti ecc.); qualificazione di rivelatori di neutroni; supporto alla didattica nei corsi di Ingegneria Nucleare.
Il reattore sperimentale TAPIRO (TAratura PIla Rapida a potenza zerO), realizzato dal CNEN in collaborazione con l’industria italiana, ha raggiunto la prima criticità nel 1971. È una sorgente di neutroni veloci in grado di fornire un flusso di intensità molto elevata.
È stato utilizzato per esperienze a supporto dello sviluppo di reattori nucleari veloci, ma anche per esperienze di irraggiamento con neutroni nel campo della biologia e della genetica vegetale.
Il reattore può fornire una vasta gamma di spettri neutronici e trova, attualmente, applicazioni in vari settori per: irraggiamento neutronico di materiali; qualificazione di rivelatori di neutroni; analisi per attivazione neutronica (NAA); validazione di codici di calcolo a supporto dei reattori IV generazione; addestramento e formazione del personale per conduzioni di impianti nucleari; supporto alla didattica dei corsi di Ingegneria Nucleare.
- Scheda Reattore nucleare di ricerca TRIGA
- Reattore nucleare di ricerca TAPIRO
- Impianto VAPORE per prove termomeccaniche e fluidodinamiche sui componenti e sistemi
- Impianto CIRCE-ICE per prove termofluidodinamiche di sistemi nucleari a piscina refrigerati a metallo liquido pesante
- Laboratorio Caratterizzazione dei Materiali Nucleari
- Servizio Integrato per la raccolta dei rifiuti radioattivi
ENEA